靜磁場對定向凝固鎳基高溫合金組織影響的研究進展

劉承林，蘇海軍，張 軍，劉 林，傅恒志

(西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，西安 710072)

定向凝固鎳基高溫合金是航空發動機和燃氣輪機發展的基石與核心關鍵材料，其制造水平在某種程度上代表了發動機的技術水平[1]。以大型機匣、葉片為代表的高溫合金部件向多元化、大型化、集成化、復雜化發展，熔體質量控制難度大幅增加，易產生欠鑄、偏析嚴重、晶粒粗大不均勻、熱裂等多種問題，導致性能惡化，制造難度、成本幾何量級地增大，成為制約高溫合金鑄件冶金質量的瓶頸之一。相比傳統熔模鑄造技術而言，定向凝固技術雖能夠很好地避免上述問題，但是在枝晶組織和凝固缺陷等方面還需要采用其他手段來有效控制[2]。

實現晶粒組織和凝固缺陷控制是制備高性能大型復雜高溫合金鑄件的關鍵[3]。大量研究[4]表明，在合金凝固過程中，加入磁場利用金屬和物理場的相互作用，改變其凝固特性，能夠較好地消除鑄件的成分偏析、鑄造應力等缺陷，提高鑄件的冶金質量，將為進一步提高材料的性能開辟新途徑。

本文主要綜述了國內外靜磁場對定向凝固鎳基高溫合金組織影響的研究現狀，重點分析了施加不同方式、強度的靜磁場對定向和單晶高溫合金組織、偏析、缺陷及高溫力學性能的影響規律，并提出了靜磁場在鎳基定向高溫合金研究中潛在的發展方向。

1 靜磁場對定向凝固高溫合金一次枝晶間距的影響

鎳基高溫合金通常含有10多種合金化元素，主要由基體γ相和強化相γ′相組成，此外還有γ/γ′共晶相、碳化物相等。一般情況下，高溫合金凝固時首先從液相中析出富Ni的γ固溶體，當溫度降低到液相線溫度以下約10℃，含C高溫合金還會析出初生MC型碳化物(L→MC+γ)。隨著溫度的進一步降低，Al，Ta，Ti等γ′相形成元素向殘余液相中富集，最終以共晶反應L→γ+γ′結束整個凝固過程[5]。

靜磁場可分為橫向靜磁場和縱向靜磁場[6]。目前，普遍認同的靜磁場對金屬合金定向凝固過程的影響機理主要集中在兩個方面：一是磁阻尼效應(magnetic damping)；二是熱電流引起的熱電磁對流效應(thermoelectromagnetic convection,TEMC)。由于定向凝固過程中固/液界面存在溫度梯度，同時固液兩相具有不同的熱電勢，在塞貝克效應作用下，凝固界面會產生一個熱電流[7]。定向凝固過程中，熱電流和靜磁場相互作用會產生一個明顯的熱電磁力，此力會誘發各種現象，比如液體攪拌、固相運動以及固相受力。在較小和適度的磁場下，熱電磁力促進液體的流動，在較強的磁場下抑制熔體的流動[8]。

對于液體的流動，在假設流體不可壓縮和不考慮浮力影響的條件下，其流動將由Navier-Stokes式決定：

(1)

Ren等[13]在高溫合金DZ417G的定向凝固過程中施加縱向靜磁場。研究發現，在抽拉速率為5μm/s時,靜磁場影響了該合金組織的定向凝固生長特性，影響程度隨磁場強度的增大而增加。當抽拉速率達到40μm/s及其以上時，施加強磁場使得單位面積上的枝晶數目增加，枝晶數目隨磁場強度的增大而增加,增加的最大幅度可達到1倍。從磁抑制對流和熱電磁效應方面分析了上述現象，強靜磁場的抑制對流效應和熱電磁對流效應具有相反作用，前者能夠抑制熔體對流，減少枝晶數目，而后者正好相反。在不同合金體系和工藝參數下某一效應會占優勢，從而對一次枝晶間距產生不同的影響[14]。

李旭等[15]在DZ417G定向凝固過程中施加縱向磁場。研究結果發現，在較低生長速率下，磁場能顯著影響高溫合金柱狀枝晶的生長；弱磁場(<0.1T)能使枝晶生長規則化，生長方向逐漸統一并平行于磁場方向，一次枝晶臂間距減??；強磁場(>2T)破壞枝晶生長，枝晶發生斷裂，逐漸出現一些云狀組織。隨著生長速率的增大，磁場的影響逐漸減弱。胡治寧等[16]在單晶高溫合金DD483低凝固速率下(5μm/s)施加縱向靜磁場時發現凝固鑄態組織中單晶生長性受到破壞。在弱磁場下，熱電磁效應占到了主導地位，而磁阻尼效應幾乎無法顯現。這時，枝晶前沿只受到熱電磁力的作用，通過改變固/液界面和枝晶間的流動結構，從而改變固/液界面前沿溶質的分布及局部的成分過冷度，使得枝晶細化。而枝晶的破壞可能是由于熱電磁環流的存在，枝晶頂端和底部同時受到方向相反的兩個力的作用，頂部受一逆時針方向力的作用而底部受到順時針方向力的作用。當兩個力足夠大時，會將枝晶扭斷，破壞枝晶的生長[17]。Xuan等[18]在DZ417G的定向凝固過程中施加橫向靜磁場，對凝固界面處進行了深入分析。結果表明，在抽拉速率為10μm/s時，隨著磁場強度(2,4,6T)的增加，開始發生柱狀晶向等軸晶的轉變(columnar to equiaxed transition,CET)，并且一次枝晶間距減小。與此同時，凝固界面形狀和糊狀區長度均發生了改變。研究表明熱電磁力和熱電磁環流是發生CET轉變的原因，與上述破壞枝晶生長的情況一致。

2 靜磁場對定向凝固高溫合金凝固缺陷的影響

定向凝固高溫合金的凝固缺陷有取向差過大、雜晶和游離晶、成分偏析及縮松等。以往研究者們為消除凝固缺陷而獲得性能優異的鑄件，通常采用調整合金成分[19]、提高溫度梯度[20]、改變抽拉速率[21]、采用引晶技術以及籽晶重熔技術等來解決上述問題，但由于實際條件所限，這些方法的改進對凝固組織性能的提高有限。研究過程中還發現，在解決上述某個缺陷的同時卻導致了另外一個甚至幾個缺陷的形成。通過在合金凝固過程中引入磁場，以力和能的形式對其擴散、流動及凝固界面產生影響，進而影響凝固組織和成分分布，這使得它成為改善合金及晶體性能的重要手段之一。利用磁場改善金屬材料組織和性能，能夠制備出常規方法難以獲得的新材料[22]。

2.1 雜晶的形成及控制

單晶高溫合金鑄件中極易出現雜晶缺陷，雜晶常在鑄件的特殊位置處產生，如鑄件的突變截面處[23-25]以及籽晶回熔區[26-27]附近，而當基體晶粒取向偏離過大時，葉身靠近型殼的位置也可能產生雜晶。

Zhao等[28]和Stanford等[29]研究了籽晶法制備單晶高溫合金中雜晶的形成機制。研究發現，雜晶僅出現在凝固最初階段的試樣邊緣，并隨著凝固的進行雜晶逐漸消失。此外，研究還發現對于非平行于熱流方向的籽晶，在遠離坩堝壁的一側易于形成雜晶。Yang等[30]和D′Souza等[31]在模擬過程中也發現定向凝固過程的初始階段有雜晶形成，且雜晶形成難易程度與初始晶粒的晶體取向有關。Dong等[32]模擬研究了熔模鑄造過程中微觀尺度下雜晶的形成，發現提高抽拉速率和增加等溫線彎曲角可引起葉片平臺處過冷度的增加，促進雜晶的形成。上述研究充分表明，試樣變截面區域導致凝固條件的突然變化是造成雜晶形成的一個重要原因。

在理解雜晶形成機制的基礎上，能夠有效地抑制雜晶的出現。Xuan等[18]在鎳基單晶高溫合金凝固過程中施加橫向強靜磁場，通過對未施加強靜磁場與施加8T強靜磁場籽晶與鑄件結合處的微觀結構形貌變化進行了對比。發現在沒有磁場下熔體回流界面是凸起的，施加8T磁場時，形成了平界面并且融化區域消失。可以看出，磁場能夠顯著地改變回熔界面形狀以及回熔區域長度，并且能夠有效地抑制雜晶的出現[33]，其原因可歸結為強靜磁場產生的熱電磁流效應增大了固/液界面能，引起形核溫度的降低(臨界形核過冷度變大)，從而抑制了雜晶的形成。同時，在高溫合金DZ417G定向凝固變截面處發現施加12T靜磁場時雜晶消失(圖1)，未施加磁場的試樣有雜晶出現。從冷卻曲線可以看出(圖2)，未施加磁場時過冷度為8.5K，施加12T磁場時過冷度達到了10.5K。相比之下，施加12T磁場時凝固界面的臨界形核過冷度提高了2K。臨界形核過冷度增大，導致異質形核困難，從而能夠抑制雜晶的出現[34]。

2.2 靜磁場對成分偏析及析出相的影響

合金元素在液/固相間的溶質分配使得凝固過程中不可避免地出現元素偏析，溶質分配系數是衡量元素偏析的重要指標。大量研究[35-36]表明：在鎳基高溫合金中，Al，Ti，Ta，Hf等均為正偏析元素，其偏析系數小于1。Cr，Co，W，Mo，Re等通常為負偏析元素，其偏析系數大于1，偏析的減輕均會使得二者的偏析系數趨近于1。施加不同方式和強度的靜磁場對各元素的偏析程度不同，主要是磁場在高溫合金熔體凝固過程中作用的效果存在明顯的差異。

圖1 高溫合金DZ417G在靜磁場作用下縱截面變截面附近處的組織及其對應的EBSD圖像[34](a)0T；(b)12TFig.1 Microstructures near cross-section change regions of superalloy DZ417G under a static magnetic field and the corresponding EBSD orientation image maps[34] (a)0T；(b)12T

圖2 靜磁場作用下高溫合金DZ417G凝固過程中變截面處的冷卻曲線[34](a)0T；(b)12TFig.2 Cooling curves at edge in the cross-section change region of superalloy DZ417G during solidification under a static magnetic field[34] (a)0T；(b)12T

Xuan等[34]分別對PWA1483和CMSX-4施加5T橫向靜磁場。其結果與未施加磁場時鑄件的元素偏析進行對比可得，磁場能夠減輕正、負元素的偏析程度，且偏析系數逐漸趨于1。磁場的施加顯著降低了單晶高溫合金元素的偏析，由于熱電磁對流效應，促進了熔體的流動以及在枝晶周圍起到攪拌作用。

Ren等[13]在鎳基高溫合金定向凝固過程中對抽拉速率20μm/s和40μm/s時分別施加0,0.2,1,4,8T橫向靜磁場時發現元素偏析減輕并且偏析系數逐漸趨近于1。磁場強度的增加能夠減小γ′相的尺寸并且其含量也逐漸增多，這是由于磁場使得偏析降低所致。偏析的降低意味著成分均勻化增強，析出相尺寸會減小，同時枝晶的共晶組織含量也會降低。任維麗等[37]研究了橫向強靜磁場下時效熱處理對定向凝固高溫合金DZ417G組織的影響。結果表明，較常規不同時間的時效處理，強磁場能夠促進相變的發生，使析出相細小而彌散分布。與無磁場相比，經16h的時效處理后，6T的強磁場使枝晶干處強化相γ′細化，尺寸減小12%左右，顯微硬度提高約8.4%。枝晶間處強化相γ′沒有發生粗化，共晶組織周圍的強化相γ′較無磁場下分布均勻。

同時，房雙等[38]在不同強度的橫向強靜磁場下對定向凝固高溫合金DZ417G試樣進行固溶處理和時效處理。結果顯示，12T強磁場下固溶處理后，枝晶干和枝晶間區域析出相γ′體積分數分別增加5.3%和5.6%。12T強磁場下時效處理后，枝晶干和枝晶間區域析出相γ′體積分數分別增加3.9% 和4.2%。合理強度的靜磁場的引入能夠減小元素偏析及析出相尺寸。Yuan等[39]研究了在變形前后靜磁場對析出相的影響(圖3)，經過靜磁場的處理，析出相γ′尺寸減小，形狀由立方體變成圓形。在變形區域靜磁場使得析出相在短距離區域內聚集，并且在高溫拉伸界面處顯示為粗化結構。Li等[40]在高溫合金DZ483凝固過程中施加了橫向靜磁場(圖4)。研究發現，隨著磁場強度的增加，析出相尺寸減小，并且偏析減輕。這主要是因為電磁制動的作用比熱電磁環流的強，使得液體流動性減小，從而減小了元素偏析。綜上所述，施加靜磁場可以有效減輕元素偏析，減小析出相的尺寸，但影響的程度也取決于凝固速率。

3 靜磁場對高溫力學性能的影響

高溫合金的高溫力學性能對組織缺陷非常敏感，高溫持久過程中脆硬的共晶組織和亞晶界不易與周圍組織協調變形,從而引起局部應力集中。在應力作用下容易形成裂紋源,給合金性能帶來不利影響[41]。在磁場作用下生長的晶體中共晶和亞晶界較少，因而在相同的應力作用下不易斷裂,合金的高溫塑性得到改善。

Ren等[42]在單晶高溫合金凝固過程中施加了橫向靜磁場，研究了在980℃/250MPa條件下磁場對位錯特征的影響(圖5)。當磁場增大時，位錯線集聚在γ′通道及γ/γ′共晶相中，當發生變形時位錯切割析出相γ′，蠕變性能得到提高。

Li等[40]在高溫合金DZ483凝固過程中施加了橫向靜磁場。研究發現，柱狀枝晶完好，并且隨著磁場強度的增加，高溫力學性能提高。從斷口形貌以及裂紋表面可以發現斷裂機制主要以Orowan機制為主(圖6)，合金由脆性斷裂轉變為韌性斷裂，抗拉強度和硬度均得到較大的提高。

圖3 靜磁場下斷裂樣品變形區和未變形區γ′的形貌[39](a)無變形區0T；(b)變形區0T；(c)無變形區12T；(d)變形區12TFig.3 Morphologies of γ′ precipitates of fractured samples under a static magnetic field[39] (a)deformation-free region 0T;(b)deformation region 0T;(c)deformation-free region 12T;(d)deformation region 12T

圖4 縱向靜磁場對合金元素偏析系數的影響[40]Fig.4 Effect of transverse static magnetic field on segregation coefficient of alloying elements[40]

胡治寧等[16]研究了磁場對單晶高溫合金DD483蠕變性能的影響。由于單晶性被破壞，磁場能夠使該合金蠕變性能降低，持久壽命減小。通過觀察斷口形貌和斷面組織可以得出無磁場條件下高溫蠕變斷口表現為韌性斷裂，斷口部位出現韌窩。施加磁場后，樣品蠕變斷口表現為脆性斷裂，裂紋產生后迅速斷裂。磁場條件下的蠕變樣品斷裂裂紋起源于枝晶間，施加磁場后裂紋起始于晶粒間。

磁場能否提高高溫力學性能主要取決于枝晶的完整性。如果生長方向單一性比較好，隨著磁場強度的增加力學性能會得到提高，因此合理的磁場強度與抽拉速率的契合，能夠有效地提高定向凝固高溫合金的高溫力學性能，從而制備出優良的鑄件。目前關于靜磁場對高溫合金力學性能的影響研究較少，還有待進行進一步的實驗研究，讓磁場的應用更加合理有效。

4 結束語

目前，已有的研究結果表明，靜磁場對定向高溫合金的效應具有多重性，為制備優良的定向凝固鑄件提供了有效的思路和手段，具有廣闊的應用前景。但是磁場的多重效應使得研究者們對其了解得不夠全面，還存在很多問題及爭議有待進一步解決。

(1)靜磁場對單晶高溫合金缺陷的影響機理還存在爭議，尤其是在雜晶控制這方面，還需要更深入地研究其影響機理。

(2)靜磁場對晶體取向的影響規律及機理的研究較少，還需進一步探究靜磁場誘導晶體取向的規律。

圖5 980℃/250MPa下試樣的位錯特征[42] (a)γ通道的位錯滑移；(b)γ′相的位錯切割；(c)γ，γ′相的規則位錯網格;(d)γ，γ′相的不規則位錯網格；(e),(f),(g),(h)分別為0.5,1,1.5,2T靜磁場下γ,γ′的位錯切割機制Fig.5 Dislocation characteristics in the samples crept at 980℃/250MPa[42](a)dislocation gliding in the γ channel;(b)dislocation cutting in the γ′ phase;(c)regular dislocation network at the γ,γ′;(d)irregular dislocation network at the γ,γ′; (e),(f),(g),(h)the dislocation cutting at the γ,γ′ under various static magnetic fields of 0.5,1,1.5,2T

圖6 靜磁場對樣品裂紋表面的影響[40] (a),(b)0T；(c),(d)12TFig.6 Effect of static magnetic field on the crack surface of samples[40](a),(b)0T；(c),(d)12T

(3)靜磁場對單晶高溫合金凝固特性(凝固路徑、凝固特征溫度、平衡分凝系數等)、晶體生長界面動力學及高溫力學性能的影響機制還需深入研究。

(4)模擬軟件以及計算模型需要進一步完善，已經建立的數學模型應在計算精度和應用范圍上進一步擴展，使其能真正應用于實際生產。